Hofmeister'in merakından ilginç bir mekanizmaya kadar
1888'de Franz Hofmeister meraklı bir gözlem yayınladı: tuzlar sudaki protein çözünürlüğünü sistematik şekillerde etkiler. Bu, proteinleri çökeltme veya çözünürleştirme yeteneklerine dayanan iyonların bir sıralaması olan ünlü “Hofmeister Serisi” na yol açtı. Önümüzdeki yüzyıl boyunca, birçok çalışma, protein katlanması üzerindeki tuz kaynaklı etkilerin bu gözlemleri üzerinde genişledi, ancak iyonların protein yapısını nasıl etkilediğini açıklayan birleştirici bir teori zor kaldı.
Son çalışmamız teorik bir hipotezden ziyade pratik bir zorluktan kaynaklanmıştır. Laboratuarımızın, yün, saç ve tüylerde bol miktarda bulunan yapısal bir protein olan rejenere keratinin şekil belleği etkisini incelemek için devam eden çalışmalarında bazı şaşırtıcı davranışlar gözlemledik. Keratin, konsantre lityum bromür (LIBR) kullanılarak ekstrakte edildiğinde, tamamen çözünmemiş bir protein çözeltisi oluşturmaz. Bunun yerine, proteinlerin kendiliğinden çevreleyen çözeltiden kolayca ayrılabilen kalın, uyumlu bir jele dönüştüğünü gözlemledik. Daha beklenmedik bir şekilde, bu protein jeli, diyalizlere veya denaturantların çıkarılmasına gerek kalmadan, hemen rehidrasyon üzerine hemen katılaşır. Bu fenomen, üre veya guanidin hidroklorür gibi organik denaturantlar kullanılırken gözlenen davranışla keskin bir tezat oluşturdu.
İllüstrasyon Michael Rosnach (Hastalık Biyofizik Grubu, Harvard Üniversitesi)
Bu fenomenlerin hiçbiri, Libr'in sözde nasıl çalıştığına dair mevcut açıklamalarla eşleşmedi. Libr proteinleri doğrudan bunlara bağlayarak denatüre ederse, keratin neden kendiliğinden çözeltiden ayrılır? Neden sadece suya geri yerleştirilerek bu kadar hızlı bir şekilde yenilenir? Bu gözlemler, potansiyel olarak doğrudan iyon-protein etkileşimleri tarafından yönlendirilmeyen, ancak daha ince ve sistemik bir şey olan temelde farklı bir mekanizmaya ima etti. Cevabın proteinlerde değil, bunun yerine su ortamında olduğunu şüpheliydik.
Bu fenomeni araştırmak için Harvard Kimya ve Kimyasal Biyoloji Bölümü'nde Prof. Eugene Shakhnovich ile işbirliği yaptık. Ekibi, özellikle önemli bir katılımcı ve ortak yazar haline gelen Junlang Liu, su ağını karakterize etmek için moleküler dinamik simülasyonları ve entropi tabanlı bir model de dahil olmak üzere önemli araçlar sağladı. Bu işbirliği, protein denatürasyonuna yeni bakış açıları sunan disiplinlerarası bir çalışma sağladı.
Suyu “seyrelterek” hidrofobik etkinin azaltılması
Protein katlanması iki rakip faktör tarafından yönetilir: bir protein ortaya çıktığında, polipeptit zincirinin bozukluğunu arttırdığında ve katlanmış durumu destekleyen stabilize edici entalpik ve entropik katkıları artırdığında entropi. Sulu ortamlarda, hidrofobik bileşenler, protein çekirdeğinin içine gömülme, çevredeki su ağının bozulmasını en aza indirme ve proteinlerin katlanmış yapısını stabilize etme eğilimine sahiptir.
Peki ya su ağının kendisi değiştirilmişse? Bazı iyonlar bu ağı rahatsız etmekle ilişkili entropi maliyetini azaltabilirse, böylece termodinamik dengeyi ortaya çıkmaya kaydırabilirse – doğrudan protein ile etkileşime girerek değil, ancak suyun stabilize edici rolünü zayıflatarak?
Spektroskopik ölçümler, termodinamik modelleme ve atomistik simülasyonların bir kombinasyonu yoluyla bu mekanizmayı destekleyen kanıtlar bulduk. Sonuçlarımız Libr ve ilgili tuzların, doğrudan kendilerine bağlanarak değil, su yapısını bozarak proteinleri denatüre ettiğini göstermektedir. Moleküler dinamik simülasyonları, LIBR çözeltilerinin, hidrojen bağları oluşturabilen serbest su ağının boyutunu ve bağlantısını azaltarak, sıralı, iyon bağlı su moleküllerinin önemli ölçüde daha yüksek bir oranını içerdiğini ortaya koymuştur. Ağın bu daralması, geleneksel organik denaturantlardan farklı bir yoldan sonra proteinlerin ortaya çıkma eğilimini arttırır.
Entalpi ve entropi odaklı denatürasyon mekanizmalarının karşılaştırılması
Bu etki, konsantrasyonda değil, yapısal ve fonksiyonel kapasitesinde “sulandırmaya” benzer. Çözünenler, su moleküllerini sıkıca bağlı kabuklara ayırdıkça, katlanmış proteinleri stabilize eden hidrojen bağlı ağı desteklemek için daha az mevcuttur. Su ağı bütünlüğündeki bu azalma, gelişme için entropik cezayı azaltır ve protein denatürasyon olasılığını arttırır.
Mekanik bilgileri uygulamalara çevirme
Denatürasyon mekanizmasını anlamak, keratin rejenerasyonu stratejimizi tekrar gözden geçirmemizi sağladı. LIBR'nin çözücü ortamını yeniden yapılandırarak dolaylı olarak hareket ettiğini fark ederek, protein ekstraksiyonu ve rejenerasyonu için daha verimli ve sürdürülebilir bir süreç geliştirdik. Bu işlem sert çözücüleri önler, ekstraksiyonu basitleştirir ve bir dizi imalat yöntemini destekler ve keratin açısından zengin atıkları değerli malzemelere yeniden tasarlamak için pratik bir yol sağlar:
- Kapalı döngü geri dönüşüm: LIBR proteinleri doğrudan etkileşim yoluyla açmadığından, aynı çözelti birden fazla döngü boyunca yeniden kullanılabilir, bu da kimyasal atıkları azaltır ve işlemeyi basitleştirir.
- Basit Ayrılık: Denatüre keratin, kendiliğinden yoğunlaştırılmış bir jel durumuna ayrılabilir ve diyaliz olmadan Libr çözeltisinden basit bir şekilde ayrılmayı sağlar.
- Kolay üretim: Rehidrasyon üzerine, keratin jeli saniyeler içinde hızla katılaşır, izin verir veya çeşitli Kalıplama, film dökümü, fiber eğirme ve 3D baskı dahil üretim stratejileri.
- Şekil bellek etkisi: Alfa-sarmal ikincil yapıların geri kazanılması, rejenere keratin malzemesini hidrasyona duyarlı şekil bellek etkisi ile sağlar.
Yenilenmiş keratin malzemesi
Gez, parçalar onlarca yıldır birikiyordu. Birçok erken çalışma iyona özgü etkileri ortaya çıkarmıştır, ancak tutarlı bir mekanik açıklama ortaya çıkmamıştır. Su entropisinin protein termodinamiğindeki rolü, ara sıra belirtilmesine rağmen merkez aşamaya girmemişti. Bu parçaları monte ederek ve hem deneysel sonuçlara hem de fiziksel modellemeye topraklayarak, protein denatürasyonunun daha net bir şekilde anlaşılmasına katkıda bulunmaya çalıştık.
Çalışmalarımız Keratin'e odaklanırken, sonuçların daha geniş bir şekilde uzandığına inanıyoruz. Çözücülerin çözücü yapısını ve entropi peyzajını modüle etmek için kritik rolü, sadece protein davranışını değil, aynı zamanda sentetik polimerlerin ve diğer makromoleküllerin çözülmesini ve montajını da etkileyebilir. Bu perspektif, çözücü aracılı süreçlerin merkezi olduğu ancak tam olarak anlaşılmadığı alanlarda gelecekteki çalışmalara rehberlik edebilir.
Keratin işlemede şaşırtıcı bir gözlem olarak başlayan şey, bizi moleküler sistemlerde suyun rolü hakkında daha geniş bir soruya götürdü. Bu yolu izlerken, su, iyon ve makromoleküllerin hem biyoloji hem de materyallerde birbirlerini nasıl şekillendirdiğini daha iyi anladık. Sonunda, bu çalışma sadece protein rejenerasyonundan değil, daha büyük solvasyon, entropi ve maddi davranışları yöneten kuvvetlerle nasıl tasarladığımızdan bahsediyor.
Bir yanıt yazın